洪水漫顶工况下不同坡比的尾矿库溃坝试验研究*

2022-03-18张少雄霍焕臣宋涛陈剑刚

现代矿业 2022年2期

张少雄霍焕臣宋涛陈剑刚

（1.石家庄铁道大学土木工程学院；2.道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室；3.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所）

世界上正在使用、具有一定规模的尾矿库有2万多座，而我国就有约1 万座，其中不乏病库和危库［1］。尾矿库是维持矿山生产的重要措施，同时也是矿山的重大危险源，一旦发生溃坝，势必会对下游的环境造成极大的危害。

从已发生的溃坝事故分析可知，水是造成尾矿库溃坝的主要因素，开展洪水漫顶情况下尾矿库溃坝的研究显得尤为重要。目前，国内外学者关于洪水漫顶的溃坝研究很多，也取得了丰富的成果。Hasson 等［2］通过对洪水漫顶工况下的黏土土石坝溃坝过程进行模拟，分析了黏性土石坝溃口的形成和发展过程。Chen 等［3］在室外开展2 组大规模的洪水漫顶溃坝试验，分析得出溃口发展速率随单位流量增大而增大。Yang 等［4］开展水槽试验观测尾矿库洪水漫顶的过程，认为整个破坏过程可分为渗流侵蚀、初始溃口形成、溃口逆向侵蚀、溃口发展以及重新平衡5个阶段。张红武、刘磊等［5-10］针对尾矿库溃坝特点，参照黄河高含沙水流相似关系，提出了一整套尾矿库溃坝模型的设计与试验方法，为进行尾矿库溃坝模型试验研究提供了理论依据。张兴凯等［11］在自主研制的尾矿库溃坝模拟试验平台上，建立尾矿库漫顶溃坝演化模型。

前人已对洪水漫顶溃坝开展了较多的研究，但没有涉及堆积坡比对溃坝过程的影响。因此，本研究建立不同堆积坡比的尾矿坝模型，开展洪水漫顶条件下的溃坝试验研究，探求不同坝坡比条件下的溃坝机理和特征。

1 尾矿库溃坝试验

1.1 试验内容

建立坝坡比分别为1∶2、1∶3、1∶4的尾矿坝模型，坝高均为0.5 m，沉积滩坡度为2%。初期坝高为0.1 m，上顶宽0.06 m，下顶宽0.42 m，内坡比为1∶1.7，外坡比为1∶1.9。尾矿坝坝体如图1所示。

试验假设排渗设施失效、排洪系统出现问题不能正常排洪，坝体在饱和状态下发生漫顶溃坝。试验时首先使尾矿库内保持最高水位，按洪水过程向库内注入水体，引发洪水漫顶溃坝。在溃坝过程中，观察不同坝坡比条件下的漫顶溃坝过程，记录溃口形态的变化，探索坝坡比对溃坝的影响。

1.2 试验材料

选用原型尾砂作为试验材料，其粒径级配如图2所示。尾砂粒径主要集中在0～0.25 mm，中值粒径为0.12 mm。通过直剪试验确定其黏聚力为8 kPa，内摩擦角为29°。

1.3 试验装置及试验过程

自主研发的尾矿库溃坝装置主要由供水系统、监测系统和回收系统组成。供水系统由供水管和水泵组成。量测系统包括摄像机和三维激光扫描仪。摄像机可以记录尾矿库溃坝过程中溃口形态的变化、坝体的坍塌频率、泥石流的演进过程；三维激光扫描仪可以扫描溃决前、溃决过程中、溃决后坝体的轮廓，用来观测坝体溃口展宽情况。回收系统主要用于集水和沉砂。堆坝完成后，向库区加水，当初期坝坝脚有水流出之后，测压管水位不再变化，即形成稳定渗流场。之后在坝顶中间位置人为设置了1 个断面为1 cm×1 cm（宽×高）的引冲槽，排除初始溃口的位置和大小对溃坝试验的干扰。按洪水过程注入水体，水流经过引冲槽流向下游，观察溃坝。

2 溃坝试验结果及分析

2.1 不同坝坡比的溃坝过程

通过试验发现，各坝坡比情况下坝体溃决过程都经历了相同的发展阶段，在漫顶水流开始下泄时均为小股水流，随后出现冲沟；在水流的下切作用下冲沟不断加深，形成固定的流路；随后冲沟开始展宽，出现陡坎；整个溃坝过程都伴随着坝体的坍塌现象。

坝坡比为1∶2 时，漫顶水流自引冲槽开始下泄，初始为小股水流，覆盖坝面面积较小；5 s后出现细冲沟，15 s 后冲沟不断加深，水流形成固定流路；30 s 后冲沟继续加深并且整体与坝面平行，同时横向不断展宽；40 s 后流量明显增加，陡坎出现；70 s 多级小陡坎合并成大陡坎；75 s 后溃口横向迅速展宽，不断增大；77 s 时下游右侧坝面发生坍塌；78 s 时坝顶溃口出现坍塌；85 s 时坝顶溃口出现大面积垮塌；100 s 后流过坝体的水流由上一级陡坎垂直跌入下一级陡坎，坝体在水流冲击作用下，下切十分明显；120 s 时坝顶再次出现小坍塌，溃口再次增大；155 s后在水流作用下，右侧坝体不断被掏蚀；180 s后水流对坝体的侵蚀效果不再明显；240 s后趋于稳定。坝坡比为1∶2时的坝体溃决过程如图3所示。

坝坡比为1∶3 时，漫顶水流自引冲槽开始下泄，初始为薄层片状水流，覆盖面积较大，历时20 s，薄层片状水流流过的区域略有浅沟出现；历时25 s，坝体下游出现2 条冲沟并逐渐向两侧扩展；50 s 时陡坎出现；75 s 时坝顶溃口逐渐增大；85 s 时坝体出现多级陡坎，同时2 条主沟对外不断侵蚀坝面，对内不断侵蚀中心小岛；135 s 时坝顶溃口出现坍塌，溃口变大，流量也呈现出增大趋势；155 s时，水流主要流入右侧主沟，并不断冲刷两侧坝面，而左侧主沟流入水量大幅减少；175 s 时，坝顶溃口再次变大，水流流量明显加大；205 s 时中心小岛在水流冲击和自身重力作用下垮塌，2 条冲沟合并成1 条大冲沟；270 s 时，多级陡坎合并成2 个大陡坎；300 s 时水量逐渐减少，侵蚀作用大大减弱，直至320 s 趋于稳定。坝坡比为1∶3 时的坝体溃决过程如图4所示。

坝坡比为1∶4时，漫顶水流自引冲槽下泄，薄层片状水流覆盖大部分坝面，30 s 时，坝面开始出现多条浅沟；50 s 时，多条浅沟合并成3 条主沟；主沟不断加深并向两侧展宽；75 s时，坝体上游出现陡坎，坝体中下游3 条主沟近似与坝面平行，陡坎不明显；85 s 时，坝顶溃口变大，流量略有增加；90 s时，左侧主沟水量明显加大，中间主沟水量略有增加，右侧主沟流量大幅减小，同时左侧主沟下切和展宽速率明显大于其他2 个主沟；95 s 时水流基本上不再从右侧主沟流过；135 s 时，坝顶溃口再次加大，水流量也明显增大，水流对坝体的侵蚀效果越发明显，中间和左侧主沟开始合并，整个坝体出现多级小陡坎；155 s 时，上游坝体受水流不断掏蚀，在自重作用下发生坍塌；195 s 时，下游水流不断掏蚀坝体；230 s 时，坝顶溃口再次增大，280 s时，坝体中游至坝顶形成2个大陡坎，坝体下游冲沟不断加深，与坝面近似平行；340 s 时，水流缓慢流过冲沟，侧向展宽不明显，直至380 s 时冲刷稳定。坝坡比为1∶4时的坝体溃决过程如图5所示。

2.2 不同坝坡比溃坝结果对比分析

通过观察分析，坡比从大到小，坝体依次出现冲沟的时间为5，20，30 s，从冲沟出现的时间可以得知，不同坝坡比在水流过坝后进入侵蚀状态的速度不同，坡比越大进入侵蚀的速度越快。坡比从大到小，坝体依次出现冲沟的时间为40，50，75 s，多级小陡坎合并成大陡坎依次历时70，270，315 s。结合小陡坎出现时间以及多级小陡坎合并成大陡坎所用的时间，坝体坡比大的陡坎发展和移动的速度较快，坝体坡比小的陡坎发展和移动的速度相对较慢，而陡坎冲蚀速度的大小决定了坝体的溃决速度，并且陡坎的移动速度在一定程度上表征着坝体溃决的程度。

漫顶溃坝试验开始后，坝坡比为1∶2的坝体分别在77，78，85 和120 s 时发生坍塌，坝坡比为1∶3 和1∶4 的坝体分别在135 和155 s 时发生坍塌。对比不同坡比的坝体在水流和自身重力作用下的坍塌情况可知，坡比大的坝体受侵蚀时坍塌次数较多，坍塌频率较高，而坡比小的坝体受侵蚀时坍塌次数较少，坍塌频率较低。坝体的坍塌次数与频率反映了坝体的溃决速度和程度。

对于不同坡比的坝体，从水流漫顶开始到侵蚀稳定结束，坡比从大到小完成溃坝的时间依次为240，320，380 s，这说明坡比大的坝体完成溃坝比坡比小的坝体历时较短。通过对比不同溃坝过程可知，坡比越陡，坝体受侵蚀的速率越快，下切深度较大，破坏程度较为严重。

2.3 坝顶溃口宽度的发展

坝体溃口发展变化实质上是一个局部水流的快速冲刷问题，其中涉及到水流冲刷与土体崩塌的复杂物理过程。坝顶溃口发展的速度和大小很大程度决定了溃坝发展过程。坝顶溃口发展越快，说明坝体被水流冲刷的速度越快。当坝顶溃口变化缓慢或者趋于稳定时，说明过坝水流比之前显著减少，此时正在经历溃坝的后期或末期，有助于对溃坝完成时间的判断，为下一步工作的开展提供指导。从水流过坝开始计时，利用三维激光扫描仪每隔30 s自动对坝体进行扫描。通过后处理软件对数据进行读取，整理得到坝顶溃口宽度随时间的变化过程，如图6所示。通过分析图6 数据可知，3 种不同坝体的坝顶溃口宽度均经历了前期逐渐增加、中期迅速展宽、后期缓慢发展并趋于稳定3个阶段。不同的是坝坡越陡，溃口展宽持续时间越短，展宽速度越大，溃坝整体完成时间越短。